DE68916136T2

DE68916136T2 - Laservorrichtungen und Lasersystem mit diesen Vorrichtungen.

Info

Publication number: DE68916136T2
Application number: DE68916136T
Authority: DE
Inventors: Naoki Kubota; Yoshihisa Miyazaki; Noboru Nakano
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1988-09-05
Filing date: 1989-09-05
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2009-09-06
Also published as: EP0358464A2; EP0358464B1; CA1320559C; EP0358464A3; US4993038A; DE68916136D1

Description

Die Erfindung betrifft Laservorrichtungen und Anlagen die Laservorrichtungen enthalten.
Laserstrahlen besitzen im Gegensatz zu natürlich ausgesandten Lichtstrahlen besondere Eigenschaften wie Kohärenz und sehr gute Farbreinheit. Wegen dieser Eigenschaften werden Laserstrahlen häufig für besonders genaue und besonders empfindliche Messungen in der Meteorologie und der optischen Signalübertragung sowie für Untersuchungen im Bereich der nichtlinearen Optik usw. verwendet.
Fig. 30 zeigt eine erläuternde Darstellung herkömmlicher Systeme zur Erzeugung eines Laserstrahls. Das System enthält ein Lasergerät (ein Lampengehäuse für den Oszillator) (3), einen vollständig reflektierenden Spiegel (5) einen halbdurchlässigen Spiegel (9) mit einer halbreflektierenden (halbdurchlässigen) Beschichtung (2). Ein Lasenstrahl, der vom Laseroszillator kommt, wird nacheinander von den Prismen (6a), (6b), (6c) und (6d) im rechten Winkel reflektiert und einem Lasergerät (4) (Verstärker) zugeleitet. Nach der Verstärkung im Laserverstärker (4) wird der Laserstrahl im Prisma (Ge) rechtwinklig reflektiert (d. h. um 90 Grad) und auf einen (nicht dargestellten) Meßkörper oder dergleichen gerichtet. Anstelle der Prismen (6a) bis (6e) können auch vollständig reflektierende Spiegel benutzt werden. In diesem Pall werden die Spiegel so angeordnet, daß sie, ähnlich wie die Prismen (6a) bis (6e), den Strahl im rechten Winkel reflektieren.
Ein häufig verwendeter Typ der oben genannten Lasergeräte (3) und (4) ist beispielsweise in Walter Koechner: Solid-State Laser Engineering, S. 301 - 306 (Springer Verlag, 1976), und in der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 51-40894 beschrieben. Ein Laserstab (12) und eine Pumplampe (11) sind in den beiden Brennpunkten (41) und (42) eines Strahlbündlers (10), der die Form eines elliptischen Zylinderabschnitts besitzt, angebracht (siehe Fig. 31). Diese Anordnung, die auf geometrischen Lehrsätzen beruht, besitzt eine stark bündelnde Wirkung. In dieser Ausführung des Geräts kann der beste Wirkungsgrad erzielt werden, wenn der Laserstab (12) und die Pumplampe (11) eng benachbart angeordnet werden.
In der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 50- 85291 wird eine erste Anordnung offengelegt, in der zwei Pumplampen (11) und (13) beiderseits neben dem Laserstab (12) angebracht sind (siehe Fig. 32) und eine zweite Anordnung, in der zwei Laserstäbe (12) und (14) beiderseits neben der Pumplampe (11) angebracht sind (siehe Fig. 33).
In allen Fällen sind jedoch die Pumplampen (11), (13) und die Laserstäbe (12), (14) in den Brennpunkten (41), (42), (43) und (44) der Ellipse angeordnet, wodurch die Lichtintènsität der Pumplampen in der Nähe der Achsen der Laserstäbe extrem hoch wird. Dies bringt als Schwierigkeit mit sich, daß die optischen Elemente beim Aussenden oder Verstärken der Laserstrahlen die Grenze ihrer Belastbarkeit erreichen und eine hohe Ausgangsenergiedichte über den ganzen Strahlquerschnitt nicht erzielt werden kann. Ein anderes Problem entsteht dadurch, daß es Teile des Laserstabs gibt, die vom Licht der Pumplampe nicht erreicht werden, wodurch die Energieabgabe des Laserstrahls insgesamt vermindert wird.
Zur Lösung der genannten Probleme wird in der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 62-183193 ein Lasergerät offengelegt, bei dem die Achsen des Laserstabs aus dem Brennpunkt des elliptischen Zylinders gerückt sind. In diesem Lasergerät ist, wie Fig. 34 zeigt die Achse (31) der Pumplampe (11) im einen Brennpunkt (41) des elliptischzylindrischen Strahlbündlers (10) angeordnet. Ein Punkt innerhalb des Laserstabes (12) ist im anderen Brennpunkt (42) angeordnet und die Achse (32) des Laserstabes (12) ist zwischen den Brennpunkten (41) und (42) verschoben.
Die Verteilung der Lichtintensität im Laserstab ist bei dieser Anordnung verbessert, der Gleichmäßigkeitsgrad der Verteilung stellt jedoch nicht zufrieden, da der Ort der höchsten Intensität lediglich aus der Achse des Laserstabes heraus verschoben wurde.
Weiterhin werden in der oben bezeichneten Quelle nach W. Koechner Lasergeräte offengelegt, deren Strahlenbündler keinen Brennpunkt haben, wie eine Kreisfläche, Bögen, gerade Linien oder Ovale.
Eines dieser Geräte, in dem der Laserstab nahe an der Pumplampe angeordnet ist, ist einfach zu fertigen, und die Verteilung der Intensität des Lasers wird verbessert. Der Wirkungsgrad bleibt jedoch gering, und gegenüber dem elliptisch-zylindrischen Typ wird die Verteilung der Laserintensität nur unzureichend verbessert.
Zusätzlich wird in der oben genannten Literatur und im US-Patent Nr. 4 751 716 ein Lasergerät mit Vielfachanschlüssen offengelegt, in dem eine Anzahl von Pumplampen benutzt wird. Der oben erwähnte Vielfachanschlußtyp besitzt, verglichen mit einem Gerät mit nur einer Pumplampe, eine verbesserte Gleichförmigkeit der Laserintensität über dem Querschnitt des Laserstabs. Die Konstruktion ist jedoch kompliziert und voluminös, so daß sie für manche Anwendungen nicht brauchbar ist.
Das Lasersystem nach Fig. 30 weist weitere Probleme auf, wie im folgenden gezeigt wird.
> Beträgt beispielsweise die äußere Abmessung des halbdurchlässigen Spiegels (9) im Lasersystem nach Fig. 30 20 mm, so mißt der Spiegelträger dementsprechend 40 bis 50 mm. Deshalb benötigt man in dem Fall, daß der Abstand zwischen der optischen Achse (7) des Laseroszillators (3) und der optischen Achse (8) des Laserverstärkers (4) nur 20 bis 25mm beträgt, vier Prismen (6a) bis (6d), um die ausgesandten Laserstrahlen durch den Laserverstärker (4) zu führen (siehe Fig. 30).
Beträgt der Abstand zwischen den optischen Achsen (7) und (8) mehr als 25 mm, so benötigt man den halbdurchlässigen Spiegel (9) und mindestens zwei totalreflektierende Spiegel (oder einen oder zwei Prismen).
Folglich wird, wie Fig. 30 zeigt, die Anzahl der optischen Elemente, z. B. der Prismen (6a) bis (6d), größer, besonders dann wenn die optischen Achsen (7) und (8) nahe beisammen liegen. Dies führt auf ein weiteres Problem, die Justierung der optischen Achsen der entsprechenden optischen Bauteile gestaltet sich nun sehr schwierig. Zusätzlich wird es schwierig, das System mit geringem Raumbedarf aufzubauen, da eine erhöhte Anzahl von optischen Bauelementen viel Montageplatz für diese optischen Bauteile verbraucht.
FR-A-2 039 333 legt ein Lasergerät offen (Fig 3), welches einen reflektierenden Zylinder mit elliptischem Querschnitt beinhaltet, der eine Blitzlampe und ein scheibenförmiges Lasermedium, die beide außerhalb der Ellipsenbrennpunkte angeordnet sind, in sich birgt.
DE-A-1 614 613 legt ein Lasergerät mit vier gegenseitig verbundenen, reflektierenden Zylindern von elliptischem Querschnitt offen (Fig. 2), welches einer Anordnung nach W. Koechner (oben erwähnt) entspricht.
JP-A-50-85291 legt weitere Lasergeräteanordnungen offen, die reflektierende Zylinder mit elliptischem Querschnitt ähnlich denen von Koechner verwenden.
Die oben erwähnte Literatur nach W. Koechner legt Lasergeräte, die unter den Oberbegriff der begleitenden Ansprüche 1 und 3 fallen, offen.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Laservorrichtung, enthaltend mindestens ein achsensymmetrisches, säulenförmiges Lasermedium, mindestens eine achsensymmetrische, säulenförmige Pumplichtquelle, die parallel zum Lasermedium angeordnet ist; und einen Strahlenbündler mit reflektierenden Oberflächen, die das Lasermedium und die Pumplichtquelle so umgeben, daß die Mitteillinien der reflektierenden Oberflächen, die Achse des Lasermediums und die Achse der Pumplichtquelle in ein und derselben Ebene liegen; dadurch gekennzeichnet,
daß die reflektierenden Oberflächen zwei oder mehr teilweise zylindrisch gekrümmte Oberflächen und zwei oder mehr teilweise ebene, planparallel angeordnete Oberflächen enthalten; und
daß die Achse von mindestens einem Lasermedium oder einer Pumplichtquelle sich näher an der teilweise zylindrisch gekrümmten Oberfläche befindet als deren Mittellinie.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Laservorrichtung, umfassend ein achsensymmetrisches, säulenförmiges erstes Element;
vier achsensymmetrische, säulenförmige zweite Elemente, die das erste Element umgeben und zueinander parallel angeordnet sind;
wobei das erste Element eine Pumplichtquelle ist und die zweiten Elemente Lasermedien sind oder das erste Element ein Lasermedium ist und die zweiten Elemente Pumplichtquellen sind; und
einen Strahlenbündler mit reflektierenden Oberflächen, der das erste und die zweiten Elemente in deren axialer Richtung umgibt; wobei die Achse des ersten Elements mit der Mittellinie des Strahlenbündlers zusammenfällt; dadurch gekennzeichnet,
daß die reflektierenden Oberflächen vier teilweise zylindrisch gekrümmte, symmetrisch um die Mittelachse des Strahlenbündlers in zwei gegenüberliegenden Paaren angeordnete Oberflächen umfaßt; und
daß die Achse von mindestens einem zweiten Element näher an der gekrümmten Oberfläche liegt als deren Mittellinie.
Die vorliegende Erfindung soll die oben beschriebenen Nachteile des Stands der Technik beheben. Durch die Erfindung sind Lasergeräte möglich, in denen die Verteilung der Lichtintensität aus dem Lasermedium hochgradig gleichmäßig ist. Das Lasermedium kann mit optisch gutem Wirkungsgrad erregt werden und die Vorrichtung läßt sich platzsparend konstruieren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kompakt-Lasersystem, das eine Laservorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung enthält.
In einem erfindungsgemäßen Lasergerät besitzt der Strahlenbündler reflektierende Oberflächen, die aus teilweise zylindrisch geformten Oberflächenstücken und aus teilweise ebenen Oberflächenstücken zusammengesetzt sind, wodurch die stark strahlbündelnde Eigenschaft des Zylinders abgeschwächt wird. Dadurch bestrahlt und erregt das Licht der Pumplichtquelle das Lasermedium gleichmäßiger und in größeren Bereichen, so daß der Unterschied zwischen größter und kleinster Pumpintensität im Lasermedium kleiner und das vom Lasermedium ausgesandte Licht gleichförmiger wird.
Weiterhin werden die Achsen der Pumplichtquelle und- /oder des Lasermediums näher an der daneben liegenden, teilweise zylindrisch gekrümmten Oberfläche angebracht als deren Mittellinie, so daß die Intensität des Lichts, das das Lasermedium ausgehend von der Pumplichtquelle bestrahlt, gesteigert werden kann. Dadurch wird der Wirkungsgrad verbessert.
Aus diesem Grund kann ein Laserstrahl mit gleichförmigerer Intensitätsverteilung erzeugt werden, wodurch die Lichtintensität im größten Teil des Strahlquerschnitts bis zur Belastbarkeitsgrenze des optischen Elements gesteigert werden kann. Die abgegebene Energie wird dadurch vergrößert. Zusätzlich können die Abmessungen des Lasergeräts verkleinert werden. Weiterhin wird der Aufbau des Strahlenbündler in vorteilhafter Weise einfacher und die Herstellungskosten werden kleiner. Aufgrund dieser Vorteile bietet die Erfindung insgesamt einen breiten Einsatzbereich in der Laserstrahlindustrie.
Weiterhin kann der Wirkungsgrad der Pumplichtquelle noch gesteigert werden, wenn der Außendurchmesser der Pumplichtquelle kleiner als der des Lasermediums gemacht wird. Dies bedeutet, daß sich eine Pumplichtquelle mit kleinem Durchmesser wie eine Punktlichtquelle verhält, wodurch die strahlenbündelnde Wirkung verbessert wird. Der energetische Wirkungsgrad steigt, obwohl dabei die Verteilung der Energie geringfügig verschlechtert wird. Zusätzlich kann die reflektierende Oberfläche des Strahlenbündlers nahe am Fand des Lasermediums angebracht werden, so daß das Lasergerät kompakt gebaut werden kann.
Die Erfindung ist besonders für Laseroszillatoren vom Resonanztyp, die aus zwei Lasermedien und einer oder zwei Pumplichtquellen bestehen, geeignet. Ein Lasersystem, in dem das oben beschriebene Lasergerät mit einem Prisma von gleichschenklig-rechtwinkligem oder ähnlichem Querschnitt kombiniert wird, kann besonders einfach und kompakt gebaut werden. Auch dann, wenn die optischen Achsen des einfallenden Strahls und des reflektierten Lichts nahe beisammen liegen, ist die Anzahl der benötigten optischen Elemente gering. Vorgänge wie die Justierung der optischen Achsen gestalten sich einfach, und der Raumbedarf ist zufriedenstellend gering, so daß kompakte Geräte gebaut werden können. Zusätzlich ist die Anzahl der Einzelteile gering, das Lasersystem ist einfach zu bedienen, die Abstände zwischen den Laserstrahlen, die zueinander parallel sind, können klein gehalten werden und das Lasersystem als Ganzes kann auf kleinem Raum aufgebaut werden, so daß der Einsatz eines Lasersystems dieser Bauart den Anwendungsbereich in der Laserindustrie verbreitern kann.
Die besonderen Merkmale der Erfindung sowie die damit verbundenen Vorteile werden sofort offenbar, wenn man die nachstehende Beschreibung mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen betrachtet. Dabei stehen gleiche Bezugszeichen in allen Darstellungen für gleiche oder ähnliche Teile. Es zeigt:
Fig. 1 einen Ausschnitt der Anordnung nach der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Lasergeräts;
Fig. 2 eine Darstellung mit Beispielen der Kennkurve von der Verteilung der aus einem Lasermedium austretenden Lichtintensität;
Fig. 3 einen Ausschnitt von einem Vergleichsbeispiel zur ersten Ausführungsform;
Fig. 4 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der zweiten Ausführungsform;
Fig. 5 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der dritten Ausführungsform;
Fig. 6 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der vierten Ausführungsform;
Fig. 7 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der fünften Ausführungsform;
Fig. 8 einen Ausschnitt von der Anordnung eines Vergleichsbeispiels zur fünften Ausführungsform;
Fig. 9 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der sechsten Ausführungsform;
Fig. 10 ein Kennkurvendiagramm mit Beispielen von der Lichtintensitätsverteilung aus einem Lasermedium;
Fig. 11 einen Ausschnitt von der Vergleichsanordnung zu einem Beispiel nach der sechsten Ausführungsform;
Fig. 12 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der siebten Ausführungsform;
Fig. 13 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der achten Ausführungsform;
Fig. 14 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der neunten Ausführungsform;
Fig. 15 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der zehnten Ausführungsform;
Fig. 16 einen Ausschnitt von einer veränderten Anordnung nach zehnten Ausführungsform;
Fig. 17 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der elften Ausführungsform;
Fig. 18 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der zwölften Ausführungsform;
Fig. 19 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der dreizehnten Ausführungsform;
Fig. 20 einen Ausschnitt von der Anordnung des Lasergeräts nach der vierzehnten Ausführungsform;
Fig. 21 eine Darstellung des optischen Strahlgangs bei der allgemeinen Anordnung des Lasersystem nach der ersten Ausführungsform;
Fig. 22 einen Ausschnitt eines weiteren Beispiels von der Anordnung des Auslaßspiegels nach der ersten Ausführungsform;
Fig. 23 einen Ausschnitt von einem weiteren Beispiel zum Querschnitts des Prismas, das im Ausgangsspiegel benutzt wird;
Fig. 24 eine Darstellung des optischen Strahlgangs in der allgemeinen Lasersystem-Anordnung nach der zweiten Ausführungsform;
Fig. 25 eine Darstellung des optischen Strahlgangs in der allgemeinen Anordnung des Lasersystem nach der dritten Ausführungsform;
Fig. 26 einen Ausschnitt von einem weiteren Beispiel zur Anordnung des Auslaßspiegels bei der dritten Ausführungsform;
Fig. 27 einen Ausschnitt von der Anordnung eines weiteren Auslaßspiegel-Beispiels;
Fig. 28 eine Vorderansicht von dem optischen Grundkörper aus Fig. 27;
Fig. 29 eine Darstellung des optischen Strahlgangs von der allgemeinen Anordnung des Lasersystems nach der vierten Ausführungsform;
Fig. 30 eine Darstellung des optischen Strahlgangs in der Anordnung bei einem herkömmlichen Lasersystem-Beispiel;
Fig. 31 einen Ausschnitt von der Anordnung eines herkömmlichen Beispiels gemäß der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 51-40894;
Fig. 32 und Fig 33 Teilansichten der Anordnungen herkömmlicher Beispiele gemäß der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 50-85291;
Fig. 34 einen Ausschnitt von der Anordnung eines herkömmlichen Beispiels gemäß der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 62-183193;
Es werden nun die Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine Teilansicht und zeigt die Anordnung des Lasergeräts nach der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Das Lasergerät nach der ersten Ausführungsform umfaßt einen axialsymmetrischen Laserstab 12; eine zylindrische, nächst zum Laserstab 12 parallel angeordnete Pumplampe 11; den Strahlenbündler 10, der reflektierenden Oberflächen besitzt wovon zwei teilweise zylindrisch gekrümmte Oberflächenstücke und zwei teilweise ebene, planparallel angeordnete Oberflächenstücke sind, wobei die gekrümmten Oberflächenstücke und die ebenen planparallelen Oberflächenstücke den Laserstab 12 und die Pumplampe 11 im wesentlichen gleichförmig in axialer Richtung des Stabes umgeben; wobei die Achsen 21 und 22 der teilweise gekrümmten Oberflächenstücke, die Achse 32 des Laserstabs 12 und die Achse 31 der Pumplampe 11 in ein und derselben Ebene liegen und sich die Achse 32 des Laserstabs 12, der dem teilweise gekrümmten Oberflächenstück der reflektierenden Oberfläche gegenüberliegt, auf der Achse 22 des teilweise gekrümmten Oberflächenstücks befindet, während die Achse 31 der Pumplampe 11 in einer ebenen Fläche 1 liegt die die Achsen 21 und 22 miteinander verbindet und näher an dem teilweise gekrümmten, zylindrischen Linie liegt als deren eigene Mittellinie 21.
Durch diese Anordnung erregt das Pumplicht, das an der verspiegelten Oberfläche des Strahlenbündlers 10 reflektiert wird, weihe Bereiche der Oberfläche des Laserstabs 12, wobei die Intensitätsverteilung des Lichts, das vom Laserstab 12 abgegeben wird, einen gleichmäßigen Kurvenverlauf annimmt, wie sie die typische Kurve C, wiedergegeben in Fig. 2, zeigt. Die typische Kurve A aus Fig. 2 bezieht sich auf das Lasergerät nach Fig. 31, welches in der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 51-40894 offengelegt wurde, wobei die Verteilung der Lichtintensität Amplitudenunterschiede von 65% aufweist. Weiterhin bezieht sich die typische Kurve B auf das Referenzbeispiel, in dem die Querschnittsform des Strahlenbündlers 10 aus Halbkreisen und Geradenstücken, jedoch nicht aus Ellipsen, besteht, siehe Fig. 3. Der Amplitudenunterschied der Lichtintensitätsverteilung wird dabei auf etwa 20% verbessert. Die gesamte, vom Laserstrahl dieses Referenzbeispiels abgegebene Energie vermindert sich jedoch um etwa 40%, verglichen mit dem herkömmlichen Beispiel nach Fig. 31. In der ersten Ausführungsform der vorgelegten Erfindung besitzt die Verteilung der Lichtintensität nur einen Amplitudenunterschied von etwa 20%, wodurch die Gleichförmigkeit stark verbessert wird. Weiterhin steigt die gesamte, vom Laserstrahl des Lasergeräts, das dieser Ausführungsform entspricht, abgegebene Lichtenergie um etwa 15%, verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 3.
In dieser Anordnung wird, wie oben beschrieben, die Verteilung der Lichtintensität verbessert und weiterhin die gesamte abgegebene Lichtenergie erhöht, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
Die Erfinder der vorgelegten Erfindung untersuchten im folgenden die Gründe, die für das Erreichen des oben beschriebenen hohen Wirkungsgrades ursächlich sind. Im Vergleichsbeispiel nach Fig. 3 werden alle Lichtstrahlen, die links einer senkrechten Linie A von der Pumplampe 11 ausgesandt werden, wieder in die Pumplampe 11 zurückgeworfen und tragen somit nicht zur Absorption im Laserstab 12 bei. Im Gegensatz hierzu werden dann, wenn die Achse 31 der Pumplampe 11 jenseits der Achse 21 eines der Halbkreise des Strahlenbündlers 10 nach der ersten Ausführungsform verlegt wird (nach links in Fig. 1), diejenigen Strahlen, die im Referenzbeispiel (Fig. 3) zur Pumplampe 11 zurückkehren, nun im Laserstab 12 absorbiert, was durch die geraden Linien A und B angezeigt wird. Aus diesem Grund geht in dieser Ausführungsform die Lichtenergie nicht wie im Referenzbeispiel verloren, sondern es wird ein hoher Wirkungsgrad und eine gute Gesamtlichtenergieausbeute erreicht.
Weiterhin wird das von der Pumplampe 11 ausgesandte Licht im Plasma der Pumplampe 11 absorbiert, wenn es dorthin zurückkehrt. Dadurch erhöht sich die Plasmatemperatur in der Pumplampe 11, und das Emissionsspektrum der Pumplampe 11 verschiebt sich, verglichen mit der Anordnung ohne Strahlenbündler, hin zu kürzeren Wellenlängen und verläßt einen der Absorptionsbereiche des Laserstabs 12. Folglich stellt die erste Ausführungsform, verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 3, eine vorteilhafte Anordnung dar. Diese Tatsache scheint zum hohen Wirkungsgrad der Gesamtlichtenergieausbeute beizutragen.
Fernerhin wird in der ersten Ausführungsform die Achse 31 der Pumplampe 11 auf die äußere Seite der Achse 21 eines der Halbkreise des Strahlenbündlers 10 verlegt, so daß die Achsen 21 und 22 der Halbkreise näher beieinander liegen. Dadurch kann der Strahlenbündler, d. h. das Lasergerät, verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 3, um den Abstand (R&sub2; - R&sub1;) kompakter gebaut werden.
Es hat sich, nebenbei bemerkt, bestätigt, daß die wirkungsvollsten und wünschenswertesten Randbedingungen dann eingestellt sind, wenn (siehe Fig. 1) der Abstand R&sub1; vom Ende des Strahlenbündler 10 zur Achse 31 der Pumplampe 11 die folgende Beziehung
R&sub1; = 1/2 R&sub2;
exakt oder näherungsweise erfüllt; dabei ist R&sub2; der Radius des halbzylindrischen Teils des Strahlenbündlers 10. Als ein vorteilhaftes Beispiel sei die geometrische Anordnung genannt, in dem die Linie, die der Beziehung R&sub1; = 1/2 R&sub2; genügt mit der Pumplampe 11 zusammenfällt. Die vorgelegte Erfindung sollte jedoch nicht ausschließlich darauf eingeschränkt werden, daß die Beziehung R&sub1; = 1/2 R&sub2; exakt oder näherungsweise erfüllt wird.
Fig. 4 ist eine Teilansicht und zeigt die Anordnung der zweiten Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser zweiten Ausführungsform entspricht und welches dem in der ersten Ausführungsform gezeigten Gerät nahekommt, ist die Achse 31 der Pumplampe 11 auf der Achse 21 des teilweise gekrümmten Oberflächenstücks gegenüber der Pumplampe 11 plaziert, wogegen die Achse 32 des Laserstabs 12 in der ebenen Fläche 1, in der die Achsen 21 und 22 liegen, näher an das teilweise zylindrisch gekrümmte Oberflächenstück geschoben wurde, als die eigenen Achse 22 des teilweise gekrümmten Oberflächenstücks gegenüber des Laserstabs 12.
Da die weiteren Konstruktionsmerkmale sowie die Wirkungsweise und Funktion der zweiten Ausführungsform der ersten Ausführungsform ähnlich sind, wird auf eine detailierte Beschreibung verzichtet.
Fig. 5 ist eine Teilansicht und zeigt die Anordnung der dritten Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser dritten Ausführungsform engspricht und welches dem in der ersten Ausführungsform gezeigten Gerät nahekommt, ist nicht nur die Achse 31 der Pumplampe 11, sondern auch die Achse 32 des Laserstabs L2 in einer Erweiterung der ebenen Fläche 1 plaziert. Die Fläche 1 verbindet die Achse 22 eines der teilweise gekrümmten Oberflächenstücke, die den Laserstab 12 umgeben, und die Achse 21 des anderen teilweise gekrümmten Oberflächenstückes, das die Pumplampe 11 umgibt.
Bei dieser Anordnung wird das Pumplicht, das von der verspiegelten Oberfläche des Strahlenbündlers 10 reflektiert und zum Laserstab 12 gelenkt wird, auf eine große Fläche verteilt so daß der Unterschied zwischen der größten und der kleinsten Pumpintensität im Laserstab 12 verringert wird. Die Verteilung der vom Laserstab 12 ausgesandten Lichtintensität entspricht der in der Kennkurve D von Fig. 2 dargestellten Verteilung. Diese Kennkurve D besitzt einen Amplitudenunterschied der Lichtintensitätsverteilung von 25%. Die Gleichheit der Lichtintensität ist, verglichen mit der oben beschriebenen ersten Ausführungsform (etwa 20%), geringfügig schlechter. Verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 3 ist die gesamte Lichtintensität jedoch etwa 25% höher.
Verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 3 ist diese dritte Ausführungsform um den Faktor 2 (R&sub2; - R&sub1;) kleiner.
Es hat sich, nebenbei bemerkt, bestätigt, daß in dieser dritten Ausführungsform die wirkungsvollsten und wünschenswertesten Randbedingungen dann eingestellt sind, wenn die Abstände R&sub1; und R&sub3; vom Ende des Strahlenbündlers 10 zur Achse 31 der Pumplampe 11 bzw. zur Achse 32 des Laserstabs 12 die folgende Beziehung (siehe Fig. 5) exakt oder näherungsweise erfüllen,
R&sub1; = 1/2 R&sub2;,
R&sub3; = 1/2 R&sub2;,
wobei R der Radius des halbzylindrischen Teils des Strahlenbündlers 10 ist. Mit dieser Anordnung kann nämlich ein Lasergerät hergestellt werden, das einfach zu konstruieren und billig zu fertigen ist sowie ausgezeichnete Strahlbündelungseigenschaften besitzt. Die vorgelegte Erfindung sollte jedoch nicht ausschließlich darauf eingeschränkt werden, daß die Beziehung R&sub1;, R&sub3; = 1/2 R&sub2; exakt oder näherungsweise erfüllt wird.
Fig. 6 ist eine Teilansicht und zeigt die Anordnung der vierten Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser vierten Ausführungsform entspricht und welches dem in der ersten Ausführungsform gezeigten Gerät nahekommt, bilden die eine ebene Fläche, die den Strahlenbündler 10 enthält, sowie die andere ebene Fläche sie verbindet die Achse 21 des Teilzylinders, der die Pumplampe 11 umgibt, mit der Achse 22 des Teilzylinders, der den Laserstab 12 umgibt einen Winkel von etwa 20 Grad.
Mit dieser Anordnung wird das erregende Licht, das von der spiegelnden Oberfläche des Strahlenbündlers 10 reflektiert und zum Laserstab 12 gelenkt wird, verstärkt wobei sich die Verteilung der vom Laserstab 12 ausgesandten Lichtintensität der typischen Kurve E (siehe Fig. 2) entsprechend verhält. Bezogen auf das Referenzbeispiel nach Fig. 3 besitzt die typische Kurve E verbesserte Amplitudenunterschiede bezüglich der Lichtintensitätsverteilung von etwa 25%. Die Gesamtenergie wird um etwa 30% erhöht.
Diese Ausführungsform wurde, nebenbei bemerkt, durch eine Verbesserung der ersten Ausführungsform erzielt; die vorgelegte Erfindung sollte jedoch nicht darauf beschränkt werden. Weitere Ausführungsformen können durch Verbesseruugen der zweiten oder dritten Ausführungsform erhalten werden.
Fig. 7 ist eine Teilansicht und zeigt die Anordnung der fünften Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser fünften Ausführungsform entspricht und welches dem in der ersten Ausführungsform gezeigten Gerät nahekommt, ist eine weitere Pumplampe 13 auf der gegenüberliegenden Seite der Pumplampe 11 hinzugefügt worden, wodurch der Laserstab 12 von beiden Seiten durch die Pumplampen 11 und 13 erregt wird.
In dieser fünften Ausführungsform sind, ähnlich zur ersten Ausführungsform, die Achsen 21 und 23 des Strahlenbündlers 10, der die Pumplampen 11 bzw. 13 umgibt, in einer ebenen Fläche plaziert, die die Achsen 31 und 33 der Pumplampen 11 und 13 min der Achse 32 des Laserstabs 12 verbindet und zu einer Position zwischen den Achsen 31 und 33 verschoben zu der Seite, die sich näher am Laserstab 12 befindet). Weiterhin ist der Laserstab 12 im Mittelpunkt einer ebenen Fläche angebracht, die die Achsen 31 und 33 der Pumplampen 11 und 13 enthält.
In dieser Ausführungsform wird der Laserstab 12 von beiden Seiten erregt, so daß die Gleichmäßigkeit der Laserintensität über seiner Querschnittsfläche verbessert wird. Aus Gründen, die in der ersten Ausführungsform dargelegt wurden, kann die Lichtintensitätsverteilung, die im herkömmlichen Beispiel nach Fig. 32 einen Amplitudenunterschied von etwa 65% besaß, mit einer Anordnung, die der vorgelegten Erfindung entspricht, auf etwa 20% verbessert werden. Die gesamte Lichtenergie wird, verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 8, in dem die Achsen 31 und 33 der beiden Pumplampen 11 und 13 auf den Achsen 21 und 23 der Teilzylinder plaziert waren, um etwa 15% erhöht. Verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 8 ist diese fünfte Ausführungsform zusätzlich um den Faktor 2 (R&sub2; - R&sub1;) kleiner.
In dieser Ausführungsform wurde, nebenbei bemerkt, R&sub1; = 1/2 R&sub2; angenommen; der ersten Ausführungsform entsprechend sollte die vorgelegte Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt werden, daß die Beziehung R&sub1; 1/2 R&sub2; exakt oder näherungsweise eingehalten wird.
Fig. 9 ist eine Teilansicht und zeigt die Anordnung der sechsten Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser sechsten Ausführungsform entspricht und das dem in der zweiten Ausführungsform gezeigten Gerät nahekommt, wurde dem Laserstab 12 gegenüberliegend ein weiterer Laserstab 14 hinzugefügt, wobei die beiden Laserstäbe 12 und 14 von einer Pumplampe 11 erregt werden.
Die Achsen 22 und 24 der Teilzylinder des Strahlenbündlers 10, die die Laserstäbe 12 bzw. 14 umgeben, sind in dieser sechsten Ausführungsform in einer Erweiterung der ebenen Fläche plaziert, die die Achsen 32 und 34 der Laserstäbe 12 und 14 verbindet. Zusätzlich wurde die Pumplampe 11 im Mittelpunkt einer ebenen Fläche plaziert, die die Achsen 32 und 34 der Laserstäbe 12 und 14 miteinander verbindet.
In dieser Anordnung erregt das Pumplicht, das von der Spiegeloberfläche des Strahlenbündlers 10 reflektiert wird, große Oberflächenbereiche der Laserstäbe 12 und 14, wobei die Verteilung der Lichtintensität, die die Laserstäbe 12 und 14 aussenden, einem flachen Kurvenverlauf folgt, wie ihn die typische Kurve F nach Fig. 10 zeigt. Die typische Kurve A in Fig. 10 bezieht sich auf ein herkömmliches Lasergerät, wie es in Fig. 33 dargestellt ist und in der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 50-85291 offengelegt wurde. Der Amplitudenunterschied der Lichtintensitätsverteilung beträgt dabei etwa 65%. Weiterhin bezieht sich die typische Kurve B auf das Referenzbeispiel, in dem die Achsen 22 und 34 der beiden Laserstäbe 12 und 14 auf den Achsen 22 und 24 der Halbzylinder plaziert wurden, siehe Fig. 11. In diesem Referenzbeispiel wurde der Amplitudenunterschied der Lichtintensitätsverteilung auf etwa 20% verbessert. Die gesamte Lichtenergie, die der Laserstrahl des Lasergeräts aus dem Referenzbeispiel nach Fig. 11 abgibt, ist jedoch, verglichen mit dem vorher erwähnten herkömmlichen Beispiel typische Kurve A, etwa 40% geringer. Im Gegensatz dazu beträgt im Fall der sechsten Ausführungsform der vorgelegten Erfindung der Amplitudenunterschied der Lichtintensitätsverteilung nur etwa 20%, so daß die Intensitätsverteilung stark verbessert wurde. Zusätzlich wuchs die gesamte Lichtintensität des Laserstrahls, den das Lasergerät, das dieser Erfindung entspricht, abgibt, um etwa 15%, verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 11.
In dieser Ausführungsform wurde nicht nur, wie oben erläutert, die Verteilung der Lichtintensität verbessert, sondern auch die gesamte abgegebenen Lichtenergie erhöht, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erzielt wurde.
Weiterhin ist der durch einen Pfeil in Fig. 10 markierte Ort, an dem die Verteilung der Lichtintensität im Referenzbeispiel nach Fig. 11 (Kurve B) den größten Wert annimmt, weit aus der Mitte des Lasermediums gerückt. Der Ort, an dem die Verteilung der Lichtintensität im Fall der sechsten Ausführungsform (Kurve F) ihr Maximum annimmt, liegt jedoch nahe am Mittelpunkt des Lasermediums.
Die Erfinder untersuchten im weiteren die maßgeblichen Gründe dafür, daß die Unsymmetrie der Lichtintensitätsverteilung verbessert wurde und daß der hohe Wirkungsgrad, wie beschrieben, erreicht werden konnte. Im Referenzbeispiel nach Fig. 11 werden die Laserstäbe 12 und 14 intensiv an ihren Oberflächen, die der Pumplampe 11 zugewandt sind, erregt. Das Licht, das auf den zylindrischen Teil des Strahlenbündlers 10 aufgetroffen ist, verläßt diesen, wie in einem Beispiel in der Zeichnung dargestellt ist, ohne auf den Laserstab 14 gelenkt zu werden und trägt somit nicht zur Erregung bei. Im Gegensatz dazu wird in der sechsten Ausführungsform das Licht, das dem obigen vergleichbar ist, auf den Laserstab 14 gelenkt siehe Fig. 9, und trägt somit zur Erregung bei. Im Ergebnis wird die Unsymmetrie stärker korrigiert als im Referenzbeispiel und dadurch der hohe Wirkungsgrad erreicht.
Weiterhin wurden in der sechsten Ausführungsform die Achsen 22 und 24 der Teilzylinder des Strahlenbündlers 10 zur Innenseite der Achsen 32 und 34 der Laserstäbe 12 und 14 verlegt so daß die Achsen 22 und 24 des Strahlenbündlers 10 näher zusammen gerückt werden können. Dadurch kann der Strahlenbündler 10, d. h. das Lasergerät, verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 11, um den Faktor 2 (R&sub2; - R&sub1;) in seinen Abmessungen verkleinert werden.
Es hat sich, nebenbei bemerkt, bestätigt, daß die wirkungsvollsten und wünschenswertesten Randbedingungen dann eingestellt sind, wenn der Abstand R&sub1; vom Ende des Strahlenbündlers 10 zu den Achsen 32 und 34 der Laserstäbe 12 und14 die folgende Beziehung
R&sub1; = 1/2 R&sub2;
exakt oder näherungsweise erfüllt, wobei R2 der Radius des Halbzylinders des Strahlenbündlers 10 ist. Die vorgelegte Erfindung sollte jedoch nicht ausschließlich darauf beschränkt werden, daß die Bedingung R&sub1; = 1/2 R&sub2; exakt oder näherungsweise erfüllt wird.
Diese Ausführungsform ist dann am besten geeignet, wenn die beiden Laserstäbe 12 und 14 in einem einzigen Lasergerät als Laseroszillator bzw. Laserverstärker benutzt werden, so daß das Lasergerät mit kleinen Abmessungen gebaut werden kann.
Fig. 12 ist eine Teilansicht und zeigt die siebte Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser siebten Ausführungsform entspricht und das dem in der sechsten Ausführungsform gezeigten nahekommt, wurde eine weitere Pumplampe 15 auf der rechten Seite des Laserstabs 12 hinzugefügt, so daß der Laserstab 12 von den beiden Pumplampen 11 und 15 erregt werden kann.
Die Achse 35 der Pumplampe 15 wurde in einer Erweiterung der ebenen Fläche plaziert, die die Achse 25 des Teilzylinders, der die Pumplampe 15 umgibt, mit der Achse 32 des Laserstabs 12 verbindet.
In dieser Ausführungsform kann der Laserstab 14 als Oszillator und der Laserstab 12 als Verstärker benutzt werden. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers kann durch die Veränderung der elektrischen Eingangsenergie der zusätzlichen Pumplampe 15 wunschgemäß eingestellt werden. Die weiteren Einzelheiten sind denen der sechsten Ausführungsform ähnlich; daher wird auf eine Beschreibung verzichtet. Die Verteilungen der Lichtintensitäten der beiden Laserstäbe 12 und 14 zeigten flache Verläufe, die denen der Kurve F aus Fig. 10 nahe verwandt sind.
Fig. 13 ist eine Teilansicht und zeigt die achte Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser achten Ausführungsform entspricht und das dem in der sechsten Ausführungsform gezeigten nahekommt, wurden zwei weitere Laserstäbe 16 und 17 oberhalb bzw. unterhalb der Pumplampe 11 hinzugefügt wobei die vier Laserstäbe 12, 14, 16 und 17 von einer gemeinsamen Pumplampe 11 erregt werden.
Den Laserstäben 12 und 14 entsprechend sind die Achsen 36 und 37 der Laserstäbe 16 und 17 in der Erweiterung einer ebenen Fläche plaziert, die die Achsen 26 und 27 der Teilzylinder, die die Laserstäbe 16 bzw. 17 umschließen, mit der Achse 31 der Pumplampe 11 verbindet.
Die weiteren Einzelheiten sind denen der sechsten Ausführungsform ähnlich; daher wird auf eine Beschreibung verzichtet. Die Verteilungen der Lichtintensitäten der Laserstäbe 12, 14, 16 und 17 zeigten flache Verläufe, die denen der Kurve F aus Fig. 10 nahe verwandt sind.
Diese Ausführungsform ist besonders dafür geeignet, daß einer der Laserstäbe als Oszillator und die verbleibenden drei Laserstäbe als Verstärker benutzt werden, so daß eine mehrstufige Verstärkung eingeleitet werden kann.
Fig. 14 ist eine Teilansicht und zeigt die neunte Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser neunten Ausführungsform entspricht und das dem in der fünften Ausführungsform gezeigten nahekommt, wurden zwei weitere Pumplampen 18 und 19 oberhalb bzw. unterhalb des Laserstabs 12 hinzugefügt, wobei der einzelne Laserstab 12 von den vier Pumplampen 11, 13, 18 und 19 erregt wird.
Die Achsen 38 und 39 der Pumplampen 18 und 19 wurden, den Pumplampen 11 und 13 entsprechend, in einer ebenen Fläche plaziert, die die Achsen 28 bzw. 29 der Teilzylinder, die die Pumplampen 18 und 19 umgeben, mit der Achse 32 des Laserstabs 12 verbindet.
Die weiteren Einzelheiten sind denen der fünften Ausführungsform ähnlich; daher wird auf eine Beschreibung verzichtet. Die Verteilung der Lichtintensität im Laserstab 12 zeigte flachere Verläufe als die Kurve F nach Fig. 10.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen entsprechen, nebenbei erwähnt, die äußeren Durchmesser der Pumplampen 11, 13, 15, 18 und 19 denen der zugehörigen Laserstäbe 12, 14, 16 und 17 genau. Der Zusammenhang zwischen den Abmessungen der Pumplampen und der Laserstäbe sollte jedoch nicht ausschließlich hierauf beschränkt werden.
Die strahlbündelnde Eigenschaft des Strahlenbündlers verbessert sich besonders dann, wenn der äußere Durchmesser der Pumplampe klein ist, da die Pumplampe dann als Punktlichtquelle betrachtet werden kann. Der energetische Wirkungsgrad wird verbessert, obwohl die Verteilung der Lichtintensität geringfügig ungleichförmiger wird. Zusätzlich wird es möglich, die reflektierende Oberfläche des Strahlenbündlers 10 nahe an den Rand des Laserstabs heranzubringen, wodurch sich das Lasergerät vorteilhaft klein aufbauen läßt.
Die Ausführungsformen des Lasergeräts, die auf dem oben beschriebenen Konzept aufbauen, werden im weiteren ausführlich erläutert.
Fig. 15 ist eine Teilansicht und zeigt die zehnte Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser zehnten Ausführungsform entspricht und das dem in der ersten Ausführungsform gezeigten nahekommt, wird eine Pumplampe 11 benutzt, deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser des Laserstabs 12. Die weiteren Einzelheiten sind denen der ersten Ausführungsform ähnlich und werden daher nicht nochmals beschrieben.
Die Verteilung der Lichtintensität zeigte in dieser Ausführungsform einen flachen Verlauf, der der Kurve C nach Fig. 2 sehr ähnlich war; der Amplitudenunterschied betrug etwa 22% und die Energieverteilung war nicht so stark verschlechtert. Der energetische Wirkungsgrad war besser als in der ersten Ausführungsform und wuchs, verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 3, um 20%.
In dieser Ausführungsform ist es weiterhin möglich, die Abmessung der reflektierenden Oberfläche zu verkleinern und sie näher an den Rand des Laserstabs 12 heranzubringen, wie dies das modifizierte Beispiel nach Fig. 16 zeigt. Die Abmessungen des Lasergeräts werden hierdurch kleiner, ohne daß der energetische Wirkungsgrad und der Amplitudenunterschied der Energieverteilung geändert werden.
Fig. 17 ist eine Teilansicht und zeigt die elfte Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser elften Ausführungsform entspricht und das dem in der dritten Ausführungsform gezeigten nahekommt, wird eine Pumplampe 11 benutzt, deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser des Laserstabs 12. Die weiteren Einzelheiten sind denen der dritten Ausführungsform ähnlich und werden daher nicht nochmals beschrieben.
Ähnlich zur dritten Ausführungsform zeigte die Verteilung der Lichtintensität in dieser elften Ausführungsform einen flachen Verlauf, der der Kurve D nach Fig. 2 sehr ähnlich war; der Amplitudenunterschied betrug etwa 27%, und der energetische Wirkungsgrad wuchs, verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 3, um 28%.
Fig. 18 ist eine Teilansicht und zeigt die zwölfte Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser zwölften Ausführungsform entspricht und das dem in der fünften Ausführungsform gezeigten nahekommt, werden zwei Pumplampen 11 und 13 benutzt deren Durchmesser kleiner sind als der Durchmesser des Laserstabs 12. Die weiteren Einzelheiten sind denen der fünften Ausführungsform ähnlich und werden daher nicht nochmals beschrieben.
In dieser zwölften Ausführungsform beträgt der Amplitudenunterschied der Lichtintensitätsverteilung etwa 22% und der energetische Wirkungsgrad wuchs, verglichen mit dem herkömmlichen Beispiel nach Fig. 32, um 20%.
Fig. 19 ist eine Teilansicht und zeigt die dreizehnte Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser dreizehnten Ausführungsform entspricht und das dem in der siebten Ausführungsform gezeigten nahekommt, ist der äußere Durchmesser der Pumplampe 11 geringer als der Durchmesser der Laserstäbe 12 und 14; weiterhin ist der äußere Durchmesser der Pumplampe 15 kleiner als der äußere Durchmesser der Pumplampe 11.
Weiterhin fällt die Achse 34 des Laserstabs 14 mit der Achse 24 des Teilzylinders zusammen. Die weiteren Einzelheiten sind denen der siebten Ausführungsform ähnlich und werden daher nicht nochmals beschrieben.
In dieser dreizehnten Ausführungsform nimmt die Verteilung der Lichtintensität des Laserstabs 14 einen flachen Verlauf, der zwischen den Kurven B und C von Fig. 10 liegt, und der energetische Wirkungsgrad wurde, verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 11, um 5% besser. Andererseits beträgt der Unterschied im energetischen Wirkungsgrad des Laserstabs 12 etwa 22%, während der energetische Wirkungsgrad, verglichen mit dem Referenzbeispiel nach Fig. 11, um 20% wuchs.
Die Ursache dafür, daß in dieser Ausführungsform der äußere Durchmesser der Pumplampe 15 kleiner als der Durchmesser der Pumplampe 11 gemacht wurde, liegt darin, daß die Pumplampe 11 die beiden Laserstäbe 12 und 14 erregt, während die Pumplampe 15 nur den Laserstab 12 erregt. Der äußere Durchmesser der Pumplampe 15 darf besonders dann klein sein, wenn der Laserstab 12 als Verstärker und die Pumplampe 15 zu Regelung dieser Verstärkung benutzt werden.
Fig. 20 ist eine Teilansicht und zeigt die vierzehnte Ausführungsform des Lasergeräts.
Im Lasergerät, das dieser vierzehnten Ausführungsform entspricht und das dem in der neunten Ausführungsform gezeigten nahekommt, haben die Pumplampen 11, 13, 18 und 19 äußere Durchmesser, die kleiner sind als der des Laserstabs 12. Die weiteren Einzelheiten sind denen der neunten Ausführungsform ähnlich und werden daher nicht nochmals beschrieben.
In dieser vierzehnten Ausführungsform nimmt die Verteilung der Lichtintensität des Laserstabs 12 einen flachen Verlauf, der der Kurve F von Fig. 10 sehr ähnlich ist. Zusätzlich wurde der energetische Wirkungsgrad, verglichen mit der neunten Ausführungsform, um weitere 5% besser.
In der vorliegenden Ausführungsform wurden, nebenbei bemerkt, zylindrische Pumplampen 11, 13, 15, 18 und 19 sowie säulenförmige Laserstäbe 12, 14, 16 und 17 aus Vollmaterial benutzt. Die Gestalt der Pumplampen und Lasermedien sollte jedoch nicht ausschließlich hierauf beschränkt werden. Beispielsweise können die im US-Patent 4751716 offengelegten hohlen, säulenförmigen Lasermedien benutzt werden.
In diesen Ausführungsformen wurde hauptsächlich effin Nd: YAG als Laserstab benutzt. Die Lasermedien sollten jedoch nicht ausschließlich auf Nd: YAG beschränkt werden. Beispielsweise können mit Nd: Glas, Er: YAG, ND: YSGG und Rubin ähnliche Ergebnisse erzielt werden.
Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasersystems wird im weiteren ausführlich beschrieben.
Fig. 21 ist ein Strahlengangdiagramm und zeigt die allgemeine Anordnung der ersten Ausführungsform der vorgelegten Erfindung bezogen auf das Lasersystem. In der Zeichnung wurden zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teite die selben Referenznummern wie in Fig. 30 benutzt. Auf eine nochmalige Beschreibung wird daher verzichtet.
In einem Auslaßspiegel 101, der den wesentlichen Teil der vorgelegten Ausführungsform darstellt, wird z. B. ein dielektrischer, mehrlagiger Film auf geneigten Oberflächen des Prismas 101a angebracht, das eine Querschnittsfläche in Form eines gleichschenklig-rechtwinkligen Dreiecks besitzt, und ein halbdurchlässiger Film 101b wird angebracht.
Weiterhin wird als Lasergerät 120 die Ausführung engsprechend der dreizehnten Ausführungsform nach Fig. 19 bzw. entsprechend der siebten Ausführungsform nach Fig. 12 mit zwei Pumplampen 11 und 15 und zwei Laserstäben 12 und 14 benutzt. Nebenbei bemerkt, kann auch das Lasergerät mit einer Pumplampe 11 und zwei Laserstäben 12 und 14, entsprechend der sechsten Ausführungsform nach Fig. 9, bzw. entsprechend dem Referenzbeispiel nach Fig. 11, bzw. entsprechend dem herkömmlichen Beispiel nach Fig. 32, benutzt werden.
Der Laseroszillator wird durch den halbdurchlässigen Film 101b des Auslaßspiegels 101, den Laserstab 14 des Lasergeräts 120 und den vollständig reflektierenden Spiegel 5 gebildet.
In dieser ersten Ausführungsform werden die vom Laseroszillator (genauer genommen vom halbdurchlässigen Film 101b) ausgesandten Laserstrahlen vom Prisma 101a zweimal rechtwinklig in eine zur Einfallsrichtung gegenläufige Richtung reflektiert. Die Strahlen (Laserstrahlen) werden dem Laserstab 12 des Lasergeräts 120 zugeführt, in dem sie verstärkt werden. Danach werden die Strahlen, z. B. durch das Prisma 6e), rechtwinklig abgelenkt und auf den zu messenden Gegenstand (nicht dargestellt) oder Ähnliches geworfen.
Fig. 21 macht klar, daß der Auslaßspiegel 101 in dieser Ausführungsform auch dann einsetzbar ist, wenn die Achsen 7 und 8 nur wenige Millimeter auseinander liegen.
Fig. 22 ist eine Teilansicht und zeigt ein Beispiel einer anderen Anordnung des Auslaßspiegels 101. In diesem Beispiel wird ein nichtreflektierender Film 110 auf einem Teil der geneigten Oberflächen des Prismas 101a, das eine gleichschenklig-rechtwinklige Querschnittsfläche besitzt angebracht (genauer gesagt auf einem verbleibenden Teilstück, auf dem der halbdurchlässige Film 101b angebracht ist).
In diesem Beispiel kann die Erscheinung des sogenannten Lichtrücklaufs durch den nichtreflektierenden Film 110 vermieden werden. Man versteht unter Lichtrücklauf, daß die Laserstrahlen, die der Laseroszillator, bestehend aus dem halbdurchlässigen Film 101b, dem Laserstab 12 des Lasergeräts 120 und dem vollständig reflektierenden Spiegel nach Fig 21, aussendet, am unteren Teil der geneigten Oberfläche des Prismas 101a reflektiert werden und in den Laseroszillator zurückkehren. Mit diesem nichtreflektierenden Film kann dem Verlust von Laserstrahlen und dem oben beschriebenen Lichtrücklauf wirksam vorgebeugt werden; verglichen mit dem Beispiel nach Fig. 21 wird ein noch besserer Auslaßspiegel erhalten.
Fig. 23 ist eine Teilansicht und zeigt ein weiteres Beispiel der Querschnittsfläche des im Auslaßspiegel 101 benutzten Prismas 101a. In diesem Beispiel kann anstelle des Prismas 101a (mit gleichschenklig-rechtwinkliger Querschnittsfläche) nach Fig. 21 und 22 auch ein Prisma 101c, das einen Teil davon darstellt, d. h. eine trapezförmige Querschnittsfläche besitzt (eine Form, bei der am rechten Winkel des gleichschenklig-rechtwinkligen Dreiecks ein kleines Dreieck abgeschnitten wurde, benutzt werden.
Da in diesem Beispiel die Laserstrahlen, die der Laseroszillator aussendet, von den geneigten Oberflächenteilen des Trapezoides des Prismas 101c nach Fig. 23 rechtwinklig reflektiert werden, hat das Prisma 101c eine ähnliche Funktion wie das Prisma 101a in den Beispielen nach Fig. 21 und 22.
In der ersten Ausführungsform des Lasersystems, das ausführlich und unter Bezugnahme auf Fig. 21 bis 32 beschrieben wurde, ist die Anzahl der optischen Bauelemente, verglichen mit dem herkömmlichen Beispiel nach Fig. 30, gering. Die Justierung vieler optischer Bauelemente, wie die des halbdurchlässigen Spiegels 9 und die der Prismen 6a - 6d, ist unnötig, und die Justierung der optischen Achsen der optischen Bauelemente wird vereinfacht. Weiterhin ist der Montageplatz, den der Auslaßspiegel 101 benötigt, viel kleiner als der Montageplatz, den der halbdurchlässige Spiegel 9 und die Prismen 6a - 6d verbrauchen; die Raumausnutzung wird somit verbessert. Als Folge davon kann ein Lasersystem, das den oben beschriebenen Spiegel 101 verwendet, kleiner gebaut werden. Weiterhin wird die Justierung der optischen Achsen der optische Elemente und dergleichen im oben beschriebenen Lasersystem vereinfacht. Es entsteht ein einfach zu handhabendes Lasersystem.
In dieser Ausführungsform ist der Wirkungsgrad gut, wenn das Lasergerät nach Fig. 9, 11 oder 33 benutzt wird, da die beiden Laserstäbe 12 und 14 von der gemeinsamen Pumplampe 11 erregt werden. Der Abstand der optischen Achsen 7 und 8 wird, verglichen mit dem Fall des Einsatzes von zwei unabhängigen Laserstäben zur Strahlerzeugung bzw. Verstärkung, gering, und eine noch bessere Raumausnutzung ist zu erreichen.
Fig. 24 ist ein optisches Strahlengangdiagramm und zeigt den allgemeinen Aufbau der zweiten Ausführungsform der vorgelegten Erfindung in Bezug auf das Lasersystem.
In dieser Ausführungsform werden statt des gemeinsamen Lasergeräts 120 der ersten Ausführungsform unabhängige Lasergeräte 123 bzw. 124 zur Strahlerzeugung bzw. Verstärkung benutzt.
Als Lasergeräte 123 und 124 können entweder solche, die in der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 gezeigt wurden, oder solche, die in den Referenzbeispielen nach Fig. 3 und 8 gezeigt wurden, oder solche, die in der zweiten bis fünften Ausführungsform nach Fig. 4 bis 7 gezeigt wurden, oder solche, die in der neunten und zehnten Ausführungsform nach Fig. 14 und 15 gezeigt wurden, oder solche, die in der Abwandlung nach Fig. 16 gezeigt wurden, oder solche, die in der elften und zwölften Ausführungsform nach Fig. 17 und 18 gezeigt wurden, oder solche, die in der vierzehnten Ausführungsform nach Fig. 20 gezeigt wurden, oder beispielsweise solche, die in den herkömmlichen Beispielen nach Fig. 31, 32 und 34 gezeigt wurden, benutzt werden. In allen Fällen sind ein Laserstab 12 und eine oder mehrere Pumplampen 11 ... vorhanden.
Von den Lasergeräten 123 und 124 abgesehen, sind die Einzelheiten dieser zweiten Ausführungsform denen der ersten Ausführungsform ähnlich. Auf eine ausführliche Beschreibung wird daher verzichtet.
Fig. 25 ist ein optisches Strahlengangdiagramm und zeigt den allgemeinen Aufbau der dritten Ausführungsform der vorgelegten Erfindung in Bezug auf das Lasersystem. In der Zeichnung wurden einige Referenznummern benutzt um ähnliche oder gleiche Teile aus Fig. 21 zu kennzeichnen. Auf eine nochmalige Beschreibung wird daher verzichtet.
Der Auslaßspiegel 111 als wichtigstes Teil dieser Ausführungsform besteht aus dem Prisma 101a, ähnlich dem in der ersten Ausführungsform, und einem optischen Grundkörper 112, der an der den Laserstrahlen zugewandten Seite des Prismas 101a angebracht ist und der an dem Oberflächenteil, durch das die Laserstrahlen einfallen (in der Zeichnung oben), einen mehrlagigen, dielektrischen Film trägt, so daß ein halbdurchlässiger Film 101d gebildet wird.
Der optische Grundkörper 112, der den halbdurchlässigen Film 101d trägt der Laserstab 14 des Lasergeräts 120 und der vollständig reflektierende Spiegel 5 bilden einen Laseroszillator.
Die Laserstrahlen, die der Laseroszillator (genauer der halbdurchlässige Film 101d) in dieser dritten Ausführungsform abgibt, werden vom Prisma 101a zweimal rechtwinklig gebrochen und entgegen der Einfallsrichtung reflektiert. Die reflektierten Strahlen (Laserstrahlen) durchdringen einen transparenten Teil des optischen Grundkörpers 112 (in der Zeichnung unten) und werden dann zum Laserstab 12 geleitet, in dem die reflektierten Strahlen verstärkt werden. Danach werden die reflektierten Strahlen vom Prisma 6e rechtwinklig gebrochen und auf den zu medsenden Körper (nicht dargestellt) oder dergleichen geworfen.
Der Auslaßspiegel 111 dieser Ausführungsform kann, wie Fig. 25 zeigt, auch dann benutzt werden, wenn die optischen Achsen 7 und 8 nur wenige Millimeter auseinander liegen.
Fig. 26 ist eine Teilansicht und zeigt ein weiteres mögliches Beispiel für den Auslaßspiegel 111. In diesem Beispiel sind nichtreflektierende Filme 113a, 113b und 113c auf der geneigten Oberfläche des Prismas 101a mit gleichschenklig-rechtwinkliger Querschnittsfläche (wenn nötig, auch auf den beiden anderen Oberflächen) bzw. auf der hinteren Oberfläche des optischen Grundkörpers 112 bzw. auf einem Teil der vorderen Oberfläche des optischen Grundkörpers 112 (in der Zeichnung unten) angebracht.
In diesem Beispiel wird die Erscheinung des sogenannten Lichtrücklaufs, wobei vom Laseroszillator ausgesandte Laserstrahlen (genauer vom halbdurchlässigen Film 101d) in den Laseroszillator zurückkehren, wie oben, durch die nichtreflektierenden Filme 113a - 113c verhindert. Einem Verlust von Laserstrahlen kann so wirksam vorgebeugt werden.
Fig. 27 ist eine Teilansicht und zeigt ein weiteres mögliches Beispiel für den Auslaßspiegel 111. In dieser Zeichnung bedeutet 114 einen optischen Grundkörper. Auf dem optischen Grundkörper 114 ist ein mehrlagiger, dielektrischer Film angebracht, der den halbdurchlässigen Film 101d bildet, welcher als halbdurchlässiger Spiegel dient. Die Vorderseite des optischen Grundkörpers 114, auf der sich der halbdurchlässige Film 101d befindet, ist von halbkreisförmiger Gestalt, siehe Fig. 28.
Da die Vorderseite des optischen Grundkörpers 114 (halbdurchlässiger Spiegel) in diesem Beispiel halhkreisförmig ist, können Laserstrahlen, die vom Laserstab 14 ausgesandt werden, auch dann wirkungsvoll dem Laserstab 12 zur Verstärkung zugeführt werden, wenn der Abstand der optischen Achsen 7 und 8 nach Fig. 25 nur wenige Millimeter beträgt.
Im Beispiel nach Fig. 27 wurden, nebenbei bemerkt dem Beispiel nach Fig. 26 ähnliche, nichtreflektierende Filme an der rückwärtigen Oberfläche des optischen Grundkörpers 114 und am geneigten Teil der Oberfläche des Prismas 101a angebracht. Dem Lichtrückfluß von Laserstrahlen, die der Laseroszillator aussendet, und dem Verlust von Laserstrahlen kann so wirkungsvoll vorgebeugt werden.
Anstelle des Prismas 101a mit seiner gleichschenkligrechtwinkligen Querschnittsfläche nach Fig. 25 bis 27 kann auch ein Prisma 101c mit teilweise gleichschenklig-rechtwinkliger Gestalt nach Fig. 23 verwendet werden, z. B. ein Prisma mit trapezförmiger Querschnittsfläche.
In der dritten Ausführungsform des Lasersystems, das ausführlich unter Bezug auf Fig. 25 bis 28 beschrieben wurde, ist die Anzahl der optischen Elemente, verglichen mit dem herkömmlichen Beispiel nach Fig. 30, gering, und die Justierung der optischen Achsen dieser Bauteile gestaltet sich einfach. Weiterhin ist der Montageplatz den der Auslaßspiegel 111 benötigt wesentlich kleiner als der Montageplatz, den der halbdurchlässige Spiegel 9 und die Prismen 6a -6d im herkömmlichen Beispiel nach Fig. 30 verbrauchen, so daß die Raumausnutzung stark verbessert wird. Zusätzlich ist die Justierung der optischen Achsen usw. im oben beschriebenen Lasersystem sehr einfach, so daß ein bequem zu handhabendes Lasergerät entsteht.
Fig. 29 ist ein optisches Strahlengangdiagramm und zeigt die allgemeine Anordnung der vierten Ausführungsform der vorgelegten Erfindung bezüglich des Lasersystems.
In dieser Ausführungsform werden anstelle des Lasergeräts 120 der dritten Ausführungsform voneinander unabhängige Lasergeräte 123 und 124 zur Strahlerzeugung bzw. Strahlverstärkung benutzt, die denen der zweiten Ausführungsform gleichen.
Die Anordnung dieser Ausführungsform entspricht bis auf die Lasergeräte 123 und 124 der Anordnung in der dritten Ausführungsform, so daß auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet wird.

Claims

1. Laservorrichtung, beinhaltend

mindestens ein achsensymmetrisches, säulenförmiges Lasermedium (12, 14, 16, 17);

mindestens eine achsensymmetrische, säulenförmige Pumplichtquelle (11, 13, 15, 18, 19), die parallel zum Lasermedium angeordnet ist;

einen Strahlenbündler (10) mit reflektierenden Oberflächen, die das Lasermedium und die Pumplichtquelle so umgeben, daß die Mittellinien (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29) der reflektierenden Oberflächen, die Achse (32, 34, 36, 37) des Lasermediums und die Achse (31, 33, 35, 38, 39) der Pumplichtquelle in ein und derselben Ebene liegen; dadurch gekennzeichnet,

daß die reflektierenden Oberflächen zwei oder mehr teilweise zylindrisch gekrümmte Oberflächen und zwei oder mehr teilweise ebene, planparallel angeordnete Oberflächen aufweisen; und

daß die Achse von mindestens einem Lasermedium oder einer Pumplichtquelle näher an der teilweise zylindrisch gekrümmten Oberfläche liegt als deren Mittellinie.

2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Außendurchmesser der Pumplichtquelle, die nächst der teilweise zylindrisch gekrümmten Oberfläche liegt, kleiner ist als der Außendurchmesser des Lasermediums.

3. Laservorrichtung, umfassend ein achsensymmetrisches, säulenförmiges erstes Element (11, 12);

vier achsensymmetrische, säulenförmige zweite Elemente (12, 14, 16, 17; 11, 13, 18, 19), die das erste Element umgeben und parallel zueinander angeordnet sind;

wobei das erste Element eine Pumplichtquelle ist und die zweiten Elemente Lasermedien sind oder das erste Element ein Lasermedium ist und die zweiten Elemente Pumplichtquellen sind; und

einen Strahlenbündler (10) mit reflektierenden Oberflächen, die die ersten und zweiten Elemente in axialer Richtung umgeben, wobei die Achsen (31; 32) des ersten Elements mit einer Mittelachse des Strahlenbündlers (10) zusammenfallen; dadurch gekennzeichnet,

daß die reflektierende Oberfläche vier teilweise zylindrisch gekrümmte Oberflächen enthält, die die Mittelachse des Strahlenbündlers (10) in zwei gegenüberstehenden Paaren umgeben; und

daß die Achse von mindestens einem zweiten Element näher an einer der gekrümmten Oberflächen liebt als deren Mittellinie.

4. Lasergerät nach Anspruch 3, wobei der Außendurchmesser von mindestens einer der Pumplichtquellen kleiner ist als der Außendurchmesser des Laserelements.

5. Laseranlage, umfassend die Laservorrichtung (120, 123, 124) nach Anspruch 1 oder 2 mit zwei Lasermedien;

einen vollständig reflektierenden Spiegel (5);

ein Säulenprisma (101a, 101c) mit einer Querschnittsfläche in Form eines vollständigen oder unvollständigen gleichschenklig-rechtwinkligen Dreiecks;

wobei ein Lasermedium (14) der Laservorrichtung als Oszillator und das andere (12) als Verstärker verwendet wird, so daß bei Betrieb ein Laserstrahl in Gegenrichtung zur Einfallsrichtung längs der Oszillatorachse mittels der zwei reflektierenden Oberflächen des Prismas, die einen rechten Winkel bilden, reflektiert wird;

die Laservorrichtung, der vollständig reflektierende Spiegel und das Prisma so angeordnet sind, daß der reflektierte Strahl in der Achse des Verstärkers 12) einfällt;

ein halbdurchlässiger Film (101b) auf der dritten reflektierenden Oberfläche des Prismas angebracht ist oder auf einem eigenständigen Grundkörper, der sich zwischen Prisma und Oszillator befindet, und Resonanzlaserschwingungen zwischen dem halbdurchlässigen Film (101b) und dem vollständig reflektierenden Spiegel (5) erlaubt.